高速动车组网络控制系统分析

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CR400AF系中国标准动车组，2017年投入运营，运营时速350公里，采用动力分散方式（4拖4动），电机功率较CRH系列提升。CR400AF的网络控制系统是CRH1/3/5、CRH380B/L系列车型的改进设计，其网络可靠性已经经受住十几年的运营考验，且TCN网络是世界上列车使用最广泛的，已经研究使用逾二十年。CR400AF网络控制系统采用TCN+以太环网（ETB），TCN（IEC61375-1标准）分为列车级网络和车辆级网络。列车级网络为WTB，传输距离远；车辆级网络为MVB，总线支持点数多，是整个列车网络控制系统的核心。以太环网吞吐量大，传输速度快，但绝对可靠性不高，适合用于事件记录、故障传输、运营动态传送等功能。

1CR400AF网络控制系统结构

1.1列车级网络。TCN列车级网络为WTB。WTB总线传输距离远，860m距离上允许1Mbit/s的传输速度，但其最多允许32总线节点，因此其适合用于列车级网络，而车辆级网络设备数量大，不适合采用。CR400AF的WTB拓扑结构为总线型，如图1所示。TC01、TC08车各两个网关，互为冗余。每个网关含4个DB9端口，DB9端口之间采用屏蔽双绞线连接，DB9仅使用针脚1、2。各个网关指定其中两个DB9端口相邻连接形成A线，另外两个DB9端口相邻连接形成B线，A、B两线互为冗余。列车端部留有端口用于列车联挂。1.2车辆级网络。TCN车辆级网络为MVB。MVB总线传输周期小于1ms，传输速率1.5Mbit/s，可采用三种物理传输介质：电短距离ESD（RS-485收发器）、电中距离EMD（屏蔽双绞线）、光纤。ESD距离最大20m，EMD距离最大200m，光纤2000m，但光纤需点对点连接。由于MVB最多支持4095个设备，其中256个可参与消息传送，因此车辆级网络适合选用MVB总线，且距离上适合选用EMD介质。由于MVB采用EMD介质每段总线最多支持32个设备，因此需要中继器将各网段联接，且部分设备距离较远也需采用中继器。CR400AF的整个网络控制系统分为两个网络单元，每个网关（非冗余）对应一个网络单元，每个单元4节车厢。两个网络单元整体为一个MVB网络，其拓扑结构为总线型，如图2所示。MVB总线物理层为DB9端口，采用屏蔽双绞线连接，使用针脚1、2、4、5连接两根双绞线，互为冗余。每个MVB设备两个DB9端口分别与总线上相邻设备连接形成总线，总线端部一端连接网关（物理上网关连接于中继器，中继器留端口用于联挂），另一端连接终端电阻。车厢之间和车厢内距离较远的设备采用中继器连接。MVB网络内的业务核心为CCU，也是MVB网络内的主设备，整列车头车各两个CCU（冗余），列车运行时，整个网络内根据列车运行方向仅有一台CCU为MVB主设备，CCU通过MVB网卡连接于总线网络。1.3以太环网。以太环网用于部分列车设备信息传输，TC01、TC08车各两个骨干交换机（冗余），非头车各一个编组网交换机，其拓扑结构为环形，如图3所示。上行环路01-02-04-06-08，下行环路08-07-05-03-01，列车端部骨干交换机留端口用于联挂。以太环网物理层为M12端口，采用5e类四芯绞线连接。网关、CCU、TCU、BCU等装置通过M12接口与各车以太网交换机采用点对点连接，骨干以太网交换机再与无线传输装置（WTD）连接，将列车状态信息、故障记录事件等传送至各单位。以太网采用TCP/IP协议，整个网络为100BaseT以太网。

2网络控制系统实现

2.1WTB总线。列车级网络WTB总线的应用相对简单，设备数量少，仅头车各两个网关，网关的作用是实现WTB协议转换为MVB协议，将两个网络单元信息联通。网关以Duagon公司D521为例说明，D521含4个WTB级DB9端口，2个MVB级端口，一个以太网RJ45端口。D521内部包含32位ARM级CPU，通过FPGA实现WTB至MVB协议转换。WTB总线协议符合HDLC标准，采用曼彻斯特编码传输，协议报文有三种：过程数据报文、消息数据报文、监督数据报文。2.2MVB总线实现。车辆级网络MVB涉及每一个参与网络控制的设备，每一台设备通过MVB网卡连接到MVB总线上，因此设备需内嵌板卡实现MVB协议。列车上每一台设备都属于一个嵌入式系统，如CCU、TCU、BCU等，可以通过嵌入式系统的CPU或单板系统的MCU与MVB板卡进行通信。MVB板卡种类多，供应商有西门子、庞巴迪、EKE、Duagon等，比如庞巴迪MVBC协议控制芯片（MVBC01/02），本文以Duagon公司的D113为例说明。D113支持实现MVB的4类设备，可以完成过程数据、消息数据和总线管理等传输。D113内部由32位ARM级CPU和FPGA共同实现MVB协议。D113有2个DB9接口用于连接至MVB总线，D113通过PC/104接口与宿主CPU进行通信和设置12位MVB地址。PC/104接口由J1（64针脚）和J2（40针脚）上下并排组成，节省了板卡空间。J1用于8位数据并行传输，J2拓展为16位数据并行传输。PC/104接口有五种信号线：地址线（20/24位）、数据线（8/16位）、控制线（片选/锁存/读写/复位）、中断线（16个中断源）、时钟线。时钟信号由板卡内部32位CPU提供，宿主CPU无需提供。本文以ARM9系统Atmel公司的32位AT91SAM9263为宿主CPU（用于列车CCU、TCU、BCU等设备），如图4所示，通过3.3-5V电平转换器与PC/104接口连接。EBI0_NRD、EBI0_NWR用于控制读写存储器和IO，EBI0_NCS0、EBI0_NCS1用于片选16位存储器和16位IO，并且二者有一个信号有效便使高8位和地址锁存信号有效（与门）。MVB总线协议帧有主设备帧和从设备帧，采用曼彻斯特编码传输，从设备帧只能响应主设备帧，一个MVB网络内只能有一个主设备，但主设备的身份可以更换。MVB总线协议报文有16种：过程数据请求、主设备权更迭、消息数据请求、常规事件请求等。

3结语

CR400AF动车组正值蓬勃发展窗口期，其网络控制系统在后续的设计生产中仍有改进的空间，分析其网络拓扑结构、传输协议、设备内部原理以及供应商链对掌握其利弊和后续网络系统的选择具有重要的意义，并为后续的持续性推广应用提供一种原理性参考。

参考文献：

[1]黄秀川，何成才.动车组网络技术[M].成都：西南交通大学出版社，2018.

[2]李洋涛.TCN列车网络技术现状与发展[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（1）：4-7.

[3]李剑，曾文海，朱红涛.基于ARM嵌入式系统的PC/104总线设计[J].现代电子技术，2007，30（24）：150-152.

[4]程晓飞，吴旭光，李毅，等.基于ARM7的PC/104接口的设计与实现[J].国外电子测量技术，2012，31（3）：82-85.

[5]王树宾.动车组网络控制系统的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

作者:常培晶 宋程 衣云利 王腾飞 单位:中车青岛四方机车车辆股份有限公司